盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和仿真

趙錦成，閆羽佳，孟繁敬

(1．軍械工程學(xué)院，石家莊050003;2．普林億威科技有限公司，唐山063020)

0 引 言

本文主要研究用于取力發(fā)電系統(tǒng)中間定子盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、散熱性能好等優(yōu)勢(shì)［1］，充分解決了發(fā)電系統(tǒng)的空間限制和功率需求問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)盤(pán)式永磁電機(jī)的研究主要集中在電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能等對(duì)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度要求較高的領(lǐng)域［2－6］。由于盤(pán)式電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，性能參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，所以如何設(shè)計(jì)出高性能的盤(pán)式電機(jī)一直是盤(pán)式電機(jī)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文基于盤(pán)式電機(jī)的基本尺寸方程，結(jié)合有限元法，設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為22 kW的盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)，并仿真分析了其輸出特性，為最終取力發(fā)電系統(tǒng)的完成打下了基礎(chǔ)。

1 盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

典型盤(pán)式無(wú)鐵心永磁盤(pán)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，采用了功率密度較高的雙轉(zhuǎn)子中間定子結(jié)構(gòu)，用環(huán)氧樹(shù)脂材料澆注結(jié)構(gòu)代替定子鐵心。

圖1 盤(pán)式定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，輸出電磁功率。無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)消除了齒槽轉(zhuǎn)矩和磁路飽和等影響，降低了電機(jī)質(zhì)量和損耗，提升了效率［7］。

2 盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

2． 1 電機(jī)設(shè)計(jì)原理［8－10］

盤(pán)式發(fā)電機(jī)電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)平均值:

得到m相電機(jī)電磁功率:

式中:n為轉(zhuǎn)速;a為并聯(lián)支路數(shù);αi為計(jì)算極弧系數(shù);Bδ為氣隙磁密幅值;N為每相導(dǎo)體數(shù);Do為電機(jī)外直徑;Di為電機(jī)內(nèi)直徑。

每相電流I用平均直徑處的線(xiàn)負(fù)荷Aav表示:

2． 2電機(jī)設(shè)計(jì)要求

依據(jù)車(chē)載取力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況，確定發(fā)電機(jī)各項(xiàng)初始參數(shù)，如表1所示。

表1 盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)初始參數(shù)表

2． 3電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)首要目的是在一定尺寸范圍內(nèi)得到滿(mǎn)足要求的盡可能高的電磁功率，所以通過(guò)對(duì)式(4)中電磁功率求極值可得，當(dāng)λ為槡3時(shí)輸出電磁功率最大。結(jié)合文獻(xiàn)中的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，λ一般取值范圍為1．7 ～2．2，本設(shè)計(jì)取為 1．75。λ 確定之后，外徑Do取最大值280 mm，則內(nèi)徑為260 mm。考慮到盤(pán)式電機(jī)散熱條件較好，線(xiàn)負(fù)荷取為10 A·mm－1［11］。將已經(jīng)確定下來(lái)的參數(shù)代入式(4)中，可估算出額定輸出功率在20 kW以上，能夠滿(mǎn)足預(yù)期要求。

2． 4電機(jī)磁極設(shè)計(jì)

磁極選用退磁溫度180℃的N45UH釹鐵硼，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1．33 T，極弧系數(shù)取為0．8，采用扇形結(jié)構(gòu)，計(jì)算極弧系數(shù)約等于極弧系數(shù)，氣隙磁密幅值需要通過(guò)有限元仿真分析確定，先估計(jì)為較小值0．6 T。額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，工作轉(zhuǎn)速范在1 000～6 000 r/min，屬于中等轉(zhuǎn)速電機(jī)，輸出接中高頻整流負(fù)載，極數(shù)選為8～16極。在理想條件下，永磁體厚度等于氣隙計(jì)算長(zhǎng)度長(zhǎng)度時(shí)效果最好。但是實(shí)際情況中，一般取永磁體總厚度為計(jì)算氣隙長(zhǎng)度的1～2倍之間，本設(shè)計(jì)采用9 mm厚度繞組和1 mm單側(cè)氣隙，永磁體厚度采用6 mm。

2． 5電機(jī)繞組設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用集中非疊繞組，具有較短的端部，用銅量和銅耗都低于分布式疊繞組，有利于提高電機(jī)效率，而且下線(xiàn)簡(jiǎn)單，不容易發(fā)生匝間短路。在定子無(wú)鐵心電機(jī)的虛擬齒槽結(jié)構(gòu)中，極槽配合關(guān)系是決定繞組分布的關(guān)鍵因素。典型m相集中非疊繞組中，元件的兩條邊放置在鄰近的兩槽之中，連續(xù)的n個(gè)元件構(gòu)成元件組。元件組串并聯(lián)組成電機(jī)相繞組，定子齒數(shù)Z和元件數(shù)相等，可得:

對(duì)于極對(duì)數(shù)為p的電機(jī)，每極每相槽數(shù):

式中:a和b分別代表最簡(jiǎn)分子式的分子和分母，并且需要滿(mǎn)足如下約束條件［12］:

因此在每極每相槽數(shù)的最簡(jiǎn)分子式中，分子等于元件組的串聯(lián)元件數(shù)，分母不等于電機(jī)相數(shù)的整數(shù)倍。結(jié)合集中非疊繞組的每極每相槽數(shù)為小于1/2的分?jǐn)?shù)這一條件，可得三相盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)的可能極槽配合關(guān)系，如表2所示。

表2 盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)不同極槽數(shù)下每極每相槽數(shù)表

考慮到額定電壓幅值為220 V，依據(jù)式(1)估算每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)約為200，需要較高線(xiàn)圈數(shù)來(lái)限制每個(gè)線(xiàn)圈的匝數(shù)。綜合考慮本文設(shè)計(jì)采用16極24槽結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)如表3所示。其中，額定電壓和功率是否滿(mǎn)足要求需要在有限元仿真中得到，通過(guò)公式得到的數(shù)值僅作為初步參考。

表3 盤(pán)式定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)尺寸參數(shù)表

3 電磁場(chǎng)仿真與分析

3． 1建模及仿真

依據(jù)參數(shù)在Ansys Maxwell平臺(tái)建立3D模型，研究空載和負(fù)載狀態(tài)下的發(fā)電輸出特性。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在不影響精度的前提條件下，根據(jù)電機(jī)的周期對(duì)稱(chēng)性建立了1/8等效模型。進(jìn)行仿真計(jì)算之前，需對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖2所示，在需要重點(diǎn)分析的區(qū)域如氣隙處網(wǎng)格要取得密集一些。

圖2 電機(jī)仿真模型剖分圖(截圖)

經(jīng)仿真計(jì)算之后可得氣隙磁密分布如圖3所示，氣隙磁密沿周向趨于正弦分布，在磁極中心線(xiàn)處磁密最大，幅值約為0．8 T，沿徑向成平定波分布，在內(nèi)外徑兩端磁密最小。

圖3 氣隙磁密分布場(chǎng)圖(截圖)

3． 2 空載特性

空載特性包含磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)矩3個(gè)方面。發(fā)電機(jī)空載時(shí)，電樞繞組中的電流為0，不會(huì)對(duì)永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)造成影響。由于電樞繞組匝數(shù)固定，磁鏈的大小取決于穿過(guò)繞組的磁通，也就是氣隙磁場(chǎng)的分布情況，同時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和磁鏈隨時(shí)間的變化率密切相關(guān)，A相磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖4、圖5所示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值約為220 V，滿(mǎn)足相電壓380 V的要求。無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)沒(méi)有齒槽定位轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩趨近于0，仿真波形如圖6所示。

圖4 A相空載磁鏈特性圖

圖5 A相空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特性圖

圖6 空載轉(zhuǎn)矩特性圖

3． 3 負(fù)載特性

發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)，由于無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)的盤(pán)式電機(jī)計(jì)算氣隙長(zhǎng)度較長(zhǎng)，產(chǎn)生的電樞反應(yīng)較微弱，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相對(duì)空載情況變化不大，A相電壓和電流如圖7、圖8所示。

圖9為電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，由于沒(méi)有齒槽定位轉(zhuǎn)矩以及電樞反應(yīng)較微弱，轉(zhuǎn)矩較為穩(wěn)定，大約在75 N·m。額定轉(zhuǎn)速條件下角速度為314 rad·s－1，可得額定功率約為23．55 kW，與式(4)所得38 kW有一定差距，但是能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖7 A相電壓波形圖

圖8 A相電流波形圖

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性圖

3． 4轉(zhuǎn)速參數(shù)化分析

為了滿(mǎn)足行車(chē)取力發(fā)電的需求，需要考慮到不同工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出的電壓變化范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值和周期隨之變化，圖10為不同轉(zhuǎn)速條件下空載電動(dòng)勢(shì)的波形。可以看出，在1 000～6 000 r/min的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)電壓幅值在80～500 V之間，波形較為穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足要求。

圖10 不同轉(zhuǎn)速條件下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特性圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從基本電磁關(guān)系出發(fā)，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得到了符合實(shí)際需求的盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)尺寸和參數(shù)，并在Ansys Maxwell中進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)較小，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形平穩(wěn)，幅值范圍符合要求，能夠滿(mǎn)足取力發(fā)電系統(tǒng)的需求。同時(shí)，現(xiàn)有的基本尺寸公式計(jì)算所得的結(jié)果誤差較大，只能作為初步估算使用。

本文所設(shè)計(jì)的盤(pán)式定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)雖然基本滿(mǎn)足了預(yù)期性能要求，但是還有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性和必要性。同時(shí)，對(duì)所得到的電機(jī)模型進(jìn)行多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真驗(yàn)證，最終制作樣機(jī)，也是下一步研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

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